JP2016090245A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物内に非金属介在物が存在するか否か、及び存在する場合に非金属介在物の形状も併せて解析することが可能な超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】超音波伝達媒体中に浸漬された被測定物に探触子から超音波を送信し、そのエコーを受信して当該被測定物内に存在する非金属介在物量を検査する超音波探傷検査装置であって、前記探触子は、前記被測定物表面に対し垂直に配置された第１の探触子と、空間的に前記第１の探触子と垂直方向において異なった位置に配置された第２の探触子と、空間的に前記第１の探触子と水平方向において異なった位置に配置された第３の探触子とを備え、前記第１、第２、第３の探触子から送信された超音波は、前記被測定物内で互いに交差するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪または転動体に存在する欠陥の有無を検査する超音波探傷装置に係り、特に短寿命品を検出して、安定的な寿命を保証した高信頼性のある転がり軸受を提供するのに有効な超音波探傷装置に関する。

軌道輪などの軸受部品は、合金鋼などの金属材料から形成され、熱処理により発生した歪みによりクラックや表面疵が生じる場合がある。また、熱処理後の加工時に負荷が加わったり摩擦熱が発生したりすることによっても軸受部品内部にクラックが生じる場合がある。さらには、軌道輪の素材自体に許容量を超える非金属介在物が含まれている場合がある。そのため、転がり軸受の組み立てに際して、クラックや非金属介在物などの内部欠陥や表面疵などの表面欠陥が軸受部品にあるか否かの品質検査を行っている。

転がり軸受の軌道輪に割れなどの内部欠陥や表面疵などの表面欠陥があるか否かを検査する非破壊検査方法としては、Ｘ線を用いたＸ線ＣＴ装置によるものと、超音波を用いた超音波探傷装置とが知られている。このうち、前者のＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線を用いるため装置が大掛かりになり、又計測に相当の時間も要するため、大量の部品を検査するには必ずしも適しているとはいえない。これに対し、後者の超音波探傷装置を用いる方法は、検査に要する時間も短くてすみ、扱いも簡便であることより、特に内部欠陥を検出するための検査に多く利用されている。

超音波探傷装置を用いる方法として、例えば特許文献１には、超音波探触子を軌道輪の軌道面に対向して配置し、軌道輪を回転させながら超音波探触子を軌道輪の軸方向に動かして軌道輪の全断面を超音波探傷する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、検査対象部材における所定の探傷箇所に対し一方向のみから探傷しているため、超音波を受ける面が小さい場合には、たとえ奥行き寸法が大きい場合であっても、必ずしも欠陥として判別できない場合がありうる。

かかる場合を考慮し、例えば特許文献２に開示されたような検査方法が提案されている。特許文献２には、鋼板上面に配置され複数の超音波探触子をこの鋼板の溶接部に対して直角方向に配列した超音波探触子アレイと、超音波探触子アレイのなかの１つの超音波探触子から超音波を溶接部に向けて送信し溶接部内の欠陥で反射された超音波である反射信号を超音波探触子アレイを構成する全超音波探触子で送信時から予め定められた時間受信して記憶する処理を、送信超音波探触子を順次切り替えて超音波探触子アレイを構成する超音波探触子の個数に対応する回数繰り返す方法が開示されている。

特開平１１−３３７５３０号公報 特開２００２−１４０８２号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている方法は、複数の超音波探触子からなる超音波探触子アレイを用いているが、超音波探触子は一列に並んでおり、超音波を送信する探触子は1個ずつである。すなわち、各探触子からの送信方向が限定されており、このため、たとえ全探触子の受信波を合成したとしても、奥行き方向の形状については把握するのが困難と思われる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被測定物内に内部欠陥（以下ではこのうち「非金属介在物」に代表させてこの用語を用いる。）が存在するか否か、及び存在する場合に非金属介在物の形状も併せて解析することが可能な、超音波探傷装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波可視化ユニットは以下のように構成される。
超音波伝達媒体中に浸漬された被測定物に探触子から超音波を送信し、そのエコーを受信して当該被測定物内に存在する非金属介在物量を検査する超音波探傷検査装置であって、
前記探触子は、前記被測定物表面に対し垂直に配置された第１の探触子と、
空間的に前記第１の探触子と垂直方向において異なった位置に配置された第２の探触子と、
空間的に前記第１の探触子と水平方向において異なった位置に配置された第３の探触子とを備え、
前記第１、第２、第３の探触子から送信された超音波は、前記被測定物内で互いに交差するようになっている被測定物の超音波探傷検査装置。

本発明に係る超音波探傷検査装置によれば、被測定物に対し第１、第２、第３の探触子が異なった位置から超音波を送信しそのエコーを受信するため、各探触子が受信したエコーを合成して評価することにより、非金属介在物の3次元形状を把握することができる。これにより、非金属介在物の有無だけでなく、形状を含めたより詳細な探傷検査が可能となる。

本発明に係る超音波探傷装置の概要構成図である。 本発明に係る超音波探傷装置を用いての探触子と非金属介在物との関係を模式的に示す、図１と同一方向から見た拡大図である。 本発明に係る超音波探傷装置を用いての探触子と非金属介在物との関係を模式的に示す、図１Ａ方向から見た図である。 正面探触子による探傷結果を示す説明図である。 各探触子の探傷結果を合成した説明図である。

（構成）
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１は、水等の超音波伝達媒体３が充満された媒体槽（水槽）２と、検査対象物である被測定物５が載置される回転テーブル４と、複数の超音波探触子（以下単に「探触子」という）８と、探触子の位置を調整する昇降機構１１ｖ、縦移動機構１１ｌ、横移動機構１１ｈ、超音波探傷器１４を備えている。

この実施形態では、被測定物として、円筒ころ軸受の内輪５を例示して説明する。図１において、符号２は、超音波伝達媒体３が貯留された液槽である。超音波伝達媒体３としては、水が使用されることが多いが、灯油その他の液体炭化水素を使用してもよい。また、その超音波伝達媒体３中には防錆剤が添加されていても良い。

液槽２内の下部には、内輪５と、内輪５を支持する回転テーブル４が設置されている。回転テーブル４は、その上部に、内輪５を、軸を鉛直方向に向けた状態で嵌め込む嵌め込み部４ａを有すると共に、モータ６によって、内輪５の軸線と同軸の回転軸まわりに回転駆動されるようになっている。モータ６は、モータ駆動用制御アンプ１６を介して制御装置７によって制御されるようになっており、回転駆動用モータ６の駆動により回転テーブル４に設置された内輪５を所定の速度で回転させる。

ここで、上記内輪５は、不図示の搬送装置で搬送されて上側から上記回転テーブル４の嵌め込み部４ａに嵌め込まれる。図１は、回転テーブル４に内輪５を嵌め込んだ状態を示している。また、上記液槽２内の超音波伝達媒体３の深さは、回転テーブル４に内輪５を嵌め込んだ状態で、その内輪５が超音波伝達媒体３に全没するだけの深さとなっている。

探触子８は図１〜３から明らかなように、本実施形態では５個の探触子が用いられている。なお図２、３では、説明のため、非金属介在物ＮＩの大きさは実際よりは誇張して表示されている。また図２では、探触子８は図１よりも下方に位置した状態が表示されている。

第１の探触子としての正面探触子８ｃは、内輪表面５ａに対して垂直に配置されている。

第２の探触子としての上方探触子８ｕ、および下方探触子８ｄは、正面探触子８ｃに対し垂直方向において異なった位置であって、正面探触子８ｃの上方および下方に配置されている。ただし、これら３つの探触子８ｕ、８ｃ、８ｄは同一垂直面内に必ずしも位置している必要はない。図２から明らかなように、正面探触子８ｃから送信された超音波（図中矢印にて非金属介在物ＮＩで反射しない場合の進路を示す。他の探触子も同じ。）は、内輪５に対し直角に入射するので、内輪５表面へ到達後もそのまま直進する。これに対し、上方探触子８ｕおよび下方探触子８ｄから送信された超音波は、内輪５表面へ到達後図示したように屈折して進行する。このため、これら超音波は、図２の状態にある非金属介在物ＮＩのほぼ上方および下方から当たるようになっている。

第３の探触子としての左方探触子８ｌ、および右方探触子８ｒは、図３に示すように、正面探触子８ｃに対し水平方向において異なった位置であって、正面探触子８ｃの左方および右方に配置されている。ただし、これら３つの探触子８ｌ、８ｃ、８ｒは同一水平面内に必ずしも位置している必要はない。図３から明らかなように、正面探触子８ｃから送信された超音波は、上述のとおり、内輪５に対し直角に入射するので、内輪５表面へ到達後もそのまま直進する。これに対し、左方探触子８ｌおよび右方探触子８ｒから送信された超音波は、内輪５表面へ到達後図示したように屈折して進行する。このため、これら超音波は、図３（ｄ）に示すように、非金属介在物ＮＩのほぼ側方から当たるようになっている。

そして、これら５つの探触子８ｕ、８ｃ、８ｄ、８ｌ、８ｒから送信された超音波は、内輪５内において互いに交差するようになっている。互いに一点で交差するのが非金属介在物形状をより正確に把握するには好ましいが、必ずしも厳密に一点で交差する必要はなく、検出すべき非金属介在物ＮＩの大きさと同程度の空間内で交差するようになっていればよい。これら探触子は、本実施形態では指向性が強い焦点型探触子を用いている。上記焦点型探触子としては、例えば周波数５〜１０ＭＨｚのものを使用する。

図１に戻って、上方探触子８ｕ、正面探触子８ｃ、下方探触子８ｄは、垂直サポート部材１２ｖに互いに垂直方向（図中上下方向）において異なった位置にて固定されている。このうち、上方探触子８ｕおよび下方探触子８ｄは、角度調整が可能とされている。これに対し、中央の正面探触子８ｃは、内輪表面５ａに対し垂直に向いた状態で固定されている。なお、図１中では、図３で説明した左方探触子８ｌおよび右方探触子８ｒは、構成把握の妨げとならないよう図示が省略されている。これら探触子は、図３（ａ）から明らかなように、正面探触子８ｃ取り付け位置から水平方向に延びた水平サポート部材１２ｈに取付けられている。

そして、上方探触子８ｕ、下方探触子８ｄ、左方探触子８ｌ、および右方探触子８ｒは、それぞれ取付け角度を調整することにより、正面探触子８ｃも加えた５つの探触子から送信される超音波が、内輪５の内部で互いに交差するようになっている。

上記探触子８を支持する垂直サポート部材１２ｖおよび水平サポート部材１２ｈは、直動アクチュエータなどからなる昇降機構１１ｖにより図中上下方向（Ｚ方向）に、縦移動機構１１ｌで縦方向（Ｙ方向）に、横移動機構１１ｈで横方向（Ｘ方向）に移動可能となっている。上記昇降機構１１ｖは、位置合わせ制御アンプ１５を介して制御装置７によって制御されることで、探触子８の位置を調整する。このように、昇降機構１１ｖによって探触子８の位置が調整されることによって、内輪５の軸方向に移動しながら探傷を行うことが可能となっている。

また、各探触子８ｕ、８ｃ、８ｄ、８ｌ、８ｒは、それぞれ個別の超音波探傷器１４ｕ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｌ、１４ｒからの電圧信号に応じて、超音波パルスを内輪５の表面５ａに向けて送信すると共に、その反射エコーを受信し、これを電圧信号に変換して対応する超音波探傷器１４ｕ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｌ、１４ｒにそれぞれ送信する。

各超音波探傷器１４ｕ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｌ、１４ｒは、制御装置７からの指令に基づいて、対応する探触子８ｕ、８ｃ、８ｄ、８ｌ、８ｒに電圧信号からなる指令信号を送信するとともに、送信した信号と受信した信号とを基にして得られた探傷情報をそれぞれ制御装置７に送信し、制御装置７がこれをＣＲＴ１７（ディスプレイ等）上などに表示する。

（作動）
引続いて、探傷検査方法および探傷結果の評価について説明する。

先ず、搬送されてきた内輪５が全没するように媒体２の上側から浸漬され、その内輪５を、回転テーブル４の嵌め込み部４ａに、軸を鉛直方向に向けた状態で嵌め込む。これによって、軸受内輪５の軸が液面に対し垂直状態に配置される。なお、軸受内輪５は仕上げ研磨を施してあることが好ましい。

続いて、垂直サポート部材１２ｖを下降させて、正面探触子８ｃが内輪５の上端近くに位置するように位置調整する。

次に、モータ６によって回転テーブル４を回転させることによって、図１矢印Ｃｗ方向に、内輪５をその軸線の回りに一定の速度で回転させつつ、各探触子８ｕ、８ｃ、８ｄ、８ｌ、８ｒからは超音波を送信して探傷を行なう。

次に、正面探触子８ｃを、図１矢印Ｚ方向（下方）に移動させて、内輪５の表面５ａに沿って引続いて探傷を行う。このとき、内輪５が１回転する毎に、探触子８を内輪５の表面５ａに沿って矢印Ｚ方向に移動させ、探傷するようにする。

探触子８によって検出された検出信号は、超音波探傷器１４に送信され、超音波探傷器１４の記録計に記録される。このようにして、内輪５の内部の欠陥の検査が行われる。

そして、正面探触子８ｃが内輪５の軸方向の他端部に到達したら探傷を終了し、回転テーブル４の回転を停止させる。

このとき、本実施形態では、同一の探傷箇所に対して同時に垂直方向および水平方向において異なる位置から探傷を行っているので、非金属介在物ＮＩの形状の把握が可能となる。以下この点について更に詳しく説明する。

図４は、正面探触子８ｃ単独での探傷結果を示したものである。図中、非金属介在物ＮＩからのエコーを検出した位置が、受信したエコーの強度に応じて濃（エコー強度が強い）から淡（エコー強度が弱い）へと色の濃淡で表示されている。又、例えばポイントＰｃは、内輪５の軸方向に関しては図２の位置で、かつ回転方向に関しては図３（ｃ）の位置における受信エコーを表示している。

図３（ａ）、（ｂ）の状態においては、正面探触子８ｃから送信された超音波は非金属介在物ＮＩに当たらず、従って、エコーを受信しない。このため図４のポイントＰｃまでの領域は、白く表示されている。

図３（ｂ）から内輪５がＣｗ方向に回転し図３（ｃ）の状態に至ると、正面探触子８ｃから送信された超音波は、非金属介在物ＮＩの左方の側面の内輪５内径側の先端を掠めるため、非常に弱いエコーが受信される。このため、図４のポイントＰｃは、薄い灰色で表示されている。

図３（ｃ）からさらに内輪５がＣｗ方向に回転し図３（ｄ）の状態になると、超音波は非金属介在物ＮＩの対向面に正面から当たり跳ね返ってくるため、強度の強いエコーが受信される。このため、図４のポイントＰｄは、濃い点として表示されている。

図３（ｄ）の状態からさらに、内輪５がＣｗ方向に回転すると、図３（ｃ）、（ｂ）、（ａ）をそれぞれ裏返した状態で、非金属介在物ＮＩが正面探触子８ｃの前を通り過ぎていく。従って、図４のポイントＰｄの右隣はポイントＰｃと同じ薄い灰色で表示されている。

さらにその後はエコーを受信しない状態が継続するので、白く表示されている。これら結果から、非金属介在物ＮＩの位置は把握できるが、探触子が１個だけの場合は、これ以上の情報は入手できない。このため、非金属介在物ＮＩの形状、特に内輪５径方向における大きさを把握するのは困難である。

これに対し、本実施形態では更に、空間的に正面探触子８ｃと垂直方向において異なった位置にある探触子８ｕ、８ｄ、及び水平方向において異なった位置にある探触子８ｌ、８ｒを用いているため、更なる情報が得られることとなる。

図５は、正面探触子８ｃが、最も強いエコーを受信した位置（図３（ｄ）の位置）を含んだ前後の区間にわたって探傷したときの、各探触子８ｕ、８ｌ、８ｃ、８ｒ、８ｄの受信したエコー８ｕ´、８ｌ´、８ｃ´、８ｒ´、８ｄ´を取出して拡大し、並べて表示したものである。正面探触子８ｃの受信したエコー８ｃ´は、図４と同じ濃淡で表示されている。左方探触子８ｌおよび右方探触子８ｒは、正面探触子８ｃよりも更に長い時間エコーを受信している。これにより、非金属介在物ＮＩの内輪５径方向の大きさを把握することが可能となる。また、上方探触子８ｕおよび下方探触子８ｄは、共にポイントＰｄにおいてのみエコーを受信しているので、非金属介在物ＮＩの幅方向の大きさを把握することができる。

本実施形態によれば、被測定物に対し正面探触子８ｃ、上方探触子８ｕおよび下方探触子８ｄ、左方探触子８ｌおよび右方探触子８ｒは、異なった位置から超音波を送信しそのエコーを受信するため、各探触子が受信したエコーを合成して評価することにより、非金属介在物ＮＩの3次元形状を把握することができる。これにより、非金属介在物ＮＩの有無だけでなく、形状を含めたより詳細な探傷検査が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、１つの探傷面に対し、５つの探触子を使用して探傷する場合を例示しているが、（１）正面、（２）上方又は下方のいずれか一方、（３）左方又は右方の何れか一方、の３つの探触子を使用して、同一探傷箇所を探傷するようにしても良い。

１ 超音波探傷装置
２ 液槽
３ 超音波伝達媒体
５ 内輪
５ａ 内輪表面
８ｃ 正面探触子
８ｌ 左方探触子
８ｒ 右方探触子
８ｕ 上方探触子
８ｄ 下方探触子
１１ｖ 昇降機構
１１ｌ 縦移動機構
１１ｈ 横移動機構
１４ 超音波探傷器

Claims (1)

1. 超音波伝達媒体中に浸漬された被測定物に探触子から超音波を送信し、そのエコーを受信して当該被測定物内に存在する非金属介在物量を検査する超音波探傷検査装置であって、
   前記探触子は、前記被測定物表面に対し垂直に配置された第１の探触子と、
   空間的に前記第１の探触子と垂直方向において異なった位置に配置された第２の探触子と、
   空間的に前記第１の探触子と水平方向において異なった位置に配置された第３の探触子とを備え、
   前記第１、第２、第３の探触子から送信された超音波は、前記被測定物内で互いに交差するようになっていることを特徴とする被測定物の超音波探傷検査装置。

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